探索一切可能：新型拓扑激光器具有任意空腔形状。

美国研究人员研发出一种新型激光器，光线可以在任意形状的空腔中反射且不发生散射。研究人员声称该种“拓扑激光器”使用远距通信波长，能够促进硅光子器件的小型化，并保证量子信息不被散射。拓扑绝缘体的大部分体积无法通过电流，但可进行边缘态的单方向导电，在没有散射或漏电的情况下，能够巧妙地绕过角落和表面的瑕疵。

在任意导体薄片上施加电场以及垂直于电场的磁场即可产生该种“受拓扑保护”的电流。在拓扑绝缘体的大部分，电子仅做简单的绕圈运动，但边缘处的电子以半圆形的轨迹跳跃。由于光子没有磁矩，因此不受磁场的直接影响，但可通过入射光激发的电子来实现类似的效果。磁场对这些电子产生不同的影响，反过来也会对光产生不同的影响。

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的应用物理学家Boubacar解释道：“光子与磁场的相互作用通过拓扑绝缘体传递。”该理论在低频下适用。

从理论到实践

在硅光子学中，红外波长下材料对磁场的反应非常微弱，因此许多研究人员认为这将无法产生光学带隙，即在该光谱区域内材料的大部分体积内无法传输电磁波。然而，Boubacar和他的学生们并没有退缩，他们“做了一些计算来验证这些假设的正确性”。他们意识到，仅能在极短的波长带宽内传输这一缺点可以用于需要窄带宽的激光器中。

为了研究这一点，研究人员使用了两种光子晶体——由磷化砷镓铟制成的周期性光学纳米结构。研究人员将其中一个光子晶体保存在另一个光子晶体内部，并将两个晶体置于磁性矿物钇铁石榴石的顶部。内部晶体由一系列排列成正方形栅格状的星形晶胞组成，而外部晶体为具有圆柱孔的三角形栅格状。两个晶体之间的接触面则是激光器的空腔，激光在该空腔中被放大。

光学带隙的形成

这两种不同形状的光子晶体产生了单向且稳定的光子边缘态，非常类似于拓扑绝缘体中的电子边缘态。其引发的磁场能产生仅为42μm的光学带隙，并在大约1550nm处完全反射，该区域为光纤光学传输中最长使用的波长范围。

Boubacar解释道：“光无法穿透两面拓扑不同的镜子，但可以在它们之间传播，因为其拥有不同的拓扑。”磷化砷镓铟在被激光器激发时自发发光，这种光存在于拓扑不同的材料之间的边缘态内。因此这种边缘态能够对任意形状的激光器空腔形成散射保护。

光束的提取

为了提取光束，研究人员去除了外部光子晶体的一排空隙，以产生空腔中瞬逝场的波导耦合，即一种由空腔内光波产生的非传播式电磁干扰。研究人员发现从波导中形成的光强烈地倾向于某一个方向，这证明该种光在单向边缘模式下产生。

研究人员表示，这种特性是非常有用的，因为反射回空腔的激光束可以注入噪声，甚至破坏大功率的腔体。预防该种情况的设备通常体积庞大且需消耗大量能源。Boubacar表示：“现在我们有一种设备能够选择光入射的方向，使其无法再返回源头。”

任意形状的空腔可以实现集成光电子元件更密集的封装，从而提高元件的运行速度。此外，无散射光子路径的使用能够在量子电路周围传输更长距离的量子态。研究人员目前正在研发电动激光器，以避免使用大体积激光器。

举世瞩目的研究成果

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Andrea认为这是首个非交互的拓扑光子材料，由于光学中的磁偏是不可逆的。“这项实验结果举世瞩目，我知道很多人都在为此努力。”然而Andrea对一些潜在应用持怀疑态度，例如激光器的小型化，因为光子晶体需要的晶胞数量过多。

“通常，当晶胞间的距离为半波长时出现第一个带隙，即750nm处。研究人员需要大量的晶胞来产生连接界面。有很多方法可以制造比这更小的激光器。”Andrea表示，研究中没有提到的一个潜在且有趣的方法为创建具有角动量的激光束。

来源：http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/oct/27/physicists-create-first-topological-laser

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